5G都要来了，系留气球通信基站还会远吗？
2018年8月，美国佛蒙特州向社会征集为偏远地区提供通信覆盖的“颠覆性”解决方法，美国公共服务部（DPS）日前透露，有两家公司竞标这项90万美元的项目，其中一家拟在该州部署浮空器，将手机信号传送到偏远地区。
DPS通信项目主管珀维斯（Clay Purvis）表示，“浮空器主要包括气球和飞艇，可以长期驻空执行任务。利用浮空器提供通信覆盖这一技术在军方已经有所应用，将其引入民用领域，是一项创新性的军民融合。”参与竞标的两家公司都有丰富的部署无线网络的经验，但珀维斯并没有透露公司的名字和其他更多细节。
佛蒙特州曾与CoverageCo公司签订类似的通信覆盖项目合同，但以失败告终。CoverageCo公司曾花费400万美元购买微型无线电网络通讯设备，把它们安装在电线杆或建筑物上，在偏远地区创造2G网络信号（与我国普遍采用光纤回传不同，由于地广人稀，欧美电信公司喜欢使用微波回传的方式，但是偏远地区人口密度更低，使用这种方式建立普通的基站并不合算），参与此项目的其他通信公司名下用户可以使用该信号并根据使用的数据量向CoverageCo公司付费。该项目失败的一个主要原因是电信巨头AT&T公司并未参与，导致并没有足够的业务量去支撑项目的运维成本。
两家竞标公司都没有提议恢复CoverageCo模式。珀维斯表示，“这是一个强烈的迹象，表明市场本身并不认为使用微型通信设备向偏远地区和人口稀少地区提供通信服务是一种可行的手段。”目前DPS仍在审查这两项竞标方案，以确保这笔资金被负责任地使用，防止误用在另一个失败的无线通信项目上。
另一方面，佛蒙特州内大部分地区都还没有任何通信设备覆盖，DPS还在考虑是否有可能把政府部门旧的通信设备进行廉价租赁或免费使用。如果没有更多的国家方面资金支持，这可能会让地方政府承担过重的运营维护成本。
巧合的是，前几天我们报道了Altaeros测试了它的“超级塔”系留气球系统的消息，这种系留气球携带蜂窝天线，可以通过800英尺长的系缆与地面连接，取代传统的信号发射塔。
Altaeros系留气球通信系统
该公司最近在新罕布什尔州完成了实地测试，目前正在寻找客户。 该公司计划将“超级塔”作为一种服务推向市场，Altaeros作为系留气球的运营商收取运营费用。
那么参与竞标的两家公司是否有Altaeros呢？我们不得而知，但即使有，Altaeros也会有强力的竞争对手，例如系留气球领域第一厂牌TCOM, 或者RAVEN，LC DOVER。
实际上，使用系留气球作为通信基站的想法并不新鲜，日本电信运营商软银集团（SoftBank）从2013年就开始研发空中基站项目，在2016年的熊本县大地震中，空中气球基站在应急通信中得到了良好应用。英国的EE公司也推出了用于应急通信及偏远地区通信覆盖的空中桅杆项目，采用的正是小型系留气球升空平台。
2016年，日本熊本县曾发生两次大地震，通信设施被严重摧毁。为了让灾民能够恢复通信，日本电信运营商SoftBank便将一个巨大的气球型空中基站升上天空，解决了方圆10 km的受灾民众手机通信服务。本次空中基站升空位置为受灾最严重的熊本县阿苏。
该空中基站重2.5 kg，覆盖范围10 km，可同时容纳400人打电话。假如每人通话3 min，那么1 h可容纳8000人通话。只要能看见这个空中漂浮的气球，就可以打电话，同时支持LTE高速上网服务，最高速率可达150 Mbit/s。它实际上相当于一个无线中继系统，可连接几公里外的陆地基站。用户手机的信号通过空中气球回传到附近陆地基站，从而实现通信服务（图6）。
SoftBank系留气球升空
SoftBank空中基站工作原理
无线中继采用3.3 GHz或1.5 GHz频段，气球采用氦气充气，配备了高容量蓄电池和太阳能面板。SoftBank表示，即使该区域没有供电系统，该空中基站一样可以运行（依靠太阳能电池板）。并且一旦升空，定时补充氦气便可在空中维持6个月。
在实验过程中，为了克服强风导致气球晃动而影响无线信号传播，将气球设计为更扁平的椭圆形，并特别加装了增加稳定性的风兜设计。
经过反复测试验证，SoftBank将气球与陆地基站间的无线传输频率从3.3 GHz调整到1.5 GHz。调整后，更低频段保证了更高的连接可靠性，能保证在暴雨下依然正常运行。同时将覆盖范围从5 km扩展到10 km。
覆盖效果示意
2016年，英国最大的第4代移动通信（4G）运营商EE公司提出了一种使用安装在氦气球Helikite上的mini移动基站来提供广域4G移动信号覆盖的方案，可用于灾后的应急通信。EE公司将小型蜂窝网络通过微波中继或者卫星回传连接至4G网络，即使是最偏远的地区也能够打电话和访问互联网。
EE公司”空中桅杆”应急通信方案
上图是EE公司的“空中桅杆”应急通信方案示意图，该方案旨在未来利用空中基站向偏远山区提供网络连接，也称“按需覆盖（coverage on demand）”，即在发生自然灾害、基站倒闭、光缆中断和重大集会等意外情况时，快速响应网络需求。
EE公司通过多个气球中继的方案解决数据回传问题。气球上挂载由Small Cells和无线回传模块组成的一体化小型基站，即“Network In a Box”。首先，它借用了LTE-A的中继（relay）技术，将最近的地面宏基站视为relay节点，气球基站通过带内回传的方式与这个宏基站建立连接。然后，多个气球组成一张4G网状（mesh）网络。这样，Mesh网络不但扩展了空中覆盖范围，而且还以“接力”的方式将网络覆盖延伸到人迹罕至的边远山区。
中继数据回传
该方案的显著优势就是驻空高度高，一般电信基站铁塔高度为30 m，而使用系留气球作为升空平台可以轻松达到100 m高度，单个基站的覆盖范围可以成倍增加。
覆盖范围对比
上图是以伦敦地图为例，展示不同情况下4G信号覆盖的差别。在没有Helikite空中桅杆的情况下，单个基站只能够覆盖3.2 km半径（上图黄色的区域），如果使用了Helikite空中桅杆，4G信号覆盖范围可以达到32~80 kｍ（上图橙色区域）。
EE公司的系留气球平台采用了Allsopp公司的Helikite。
Helikite系留气球具有较高的抗风能力，在大风状态下，一般的系留气球会被压低至地面，而Helikite却可以飞得更高。它是全世界唯一由风筝和气球结合的混合式浮空器，采用结实的半硬式结构，独特的设计可以让相对较小体积的Helikite升空300 m高度而不需要副气囊设计或持续的电力供应维持压力。
Helikite结构如下图所示，其中，1为球体，2为张拉膜“尾翼”，其作用一是提供额外的气动升力，二是作为风标使球体保持迎风方向，使球体具有一定的稳定性。3、5、6、7为张拉膜“尾翼”的龙骨，它们的存在使该系留气球构型成为半硬式球体结构，其中5是主龙骨，3、6、7为加强结构，也可以为载荷提供安装平台。龙骨可以在图中19龙骨出口处抽出，以方便运输。4为长度可变的拉绳，通过该拉绳约束球体体积可以改变球体压力，这种特殊结构可以不改变球体结构而使球体体积变化，因此不需要复杂的副气囊，这样可以适应不同海拔、不同温度的天气，也可以保证艇囊保持压力[9]。
Helikite的半硬式系留气球结构
在该方案种使用的Helikite体积为64 m3，据称，该气球基站可在15 min内完成部署。目前该方案虽然没有在应急通信中得到实战应用，但已经在英国的偏远山区验证了有效性。
浮空君说：除了软银的小型系留气球通信系统在熊本县地震中得到了实际应用外，其它的几个系统都还没有取得大规模的商业化应用，和Altaeros的老板担忧的一样，他们首先要说服运营商，使用系留气球通信基站系统能让后者赚到足够多的钱，但是在看到效益之前，运营商们显然都不肯轻易掏腰包。
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